Dynamische Kontrolle optisch aktiver Halbleiter-Quantenpunkte mittels akustischer Oberflächenwellen

Für Anwendungen in der Quanten-Informationsverarbeitung werden einzelne Photonen und verschränkte Paare von Photonen benötigt. Eine solche nicht-klassische Lichtquelle kann durch Halbleiter-Quantenpunkte realisiert werden: Der dreidimensionale Einschluss von Ladungsträgern in einer Nanostruktur führt zu diskreten Energiezuständen, welche viele Analogien zur Atomphysik aufweisen. Aus diesem Grund spricht man häufig von "künstlichen Atomen" und ein solcher Quantenpunkt ermöglicht damit u.a. die Erzeugung von einzelnen bzw. verschränkten Photonen. Die Abstimmung der Emissionsenergien von Exzitonen (ein Exziton bezeichnet hier ein im Quantenpunkt lokalisiertes Elektron-Loch-Paar, welches unter Aussendung eines Photons strahlend rekombinieren kann) und die definierte Ladungsträgererzeugung im Quantenpunkt (engl. Quantum Dot, QD) sind von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie akustische Oberflächenwellen (engl. Surface Acoustic Waves, SAWs) für beide Zwecke eingesetzt werden können und damit einen von etablierten Methoden unabhängigen Mechanismus bieten. Dazu werden die mechanischen Auslenkungen und das elektrische Potential einer SAW auf Galliumarsenid berechnet. Das SAW-induzierte Potential beeinflusst optisch generierte Elektron-Loch-Paare, deren Dynamik in einem Quantentopf simuliert wurde. Die Ergebnisse eines Photolumineszenz-Experiments können durch diese Rechnung hervorragend reproduziert werden, wodurch sich die lokale SAW-Phase kalibrieren lässt. Anschließend wird in dieses zweidimensionale System ein QD eingeführt, welcher einen zusätzlichen Einschluss hervorruft und Ladungsträger aus dem Quantentopf einfangen kann. Zeitaufgelöste Photolumineszenz-Messungen an einem einzelnen QD lassen sich durch die berechnete Ladungsträgerdynamik im Quantentopf erklären: Die Modulation der Elektron- und Loch-Dichte führt zur präferentiellen Bildung von bestimmten Exziton-Konfigurationen im QD, abhängig von der SAW-Phase und dem exakten Anregungszeitpunkt. Somit kann gezeigt werden, dass die Besetzung des QDs von der Ladungsträgerdichte im Reservoir abhängt und damit über die SAW-induzierte Dynamik gesteuert werden kann. Im Gegensatz zu diesem durch das elektrische Feld verursachten Effekt führt die Auslenkung der Kristallatome über das Deformationspotential zu einer Modulation der Emissionsenergie. Eine Kombination mehrerer sinusförmiger harmonischer SAWs ermöglicht die Synthese beliebiger periodischer Wellenformen. Diese lassen sich im Falle eines Sägezahns beispielsweise dazu einsetzen, den Abstimmvorgang sowohl langsam wie auch schnell in einem einzigen Zyklus zu durchlaufen, eine Rechteckfunktion dagegen würde zwischen zwei diskreten Energien umschalten. Zur Synthese dieser Wellenformen werden sowohl gerade (n = 2,4,6,...) wie auch ungerade Harmonische (n = 1,3,5,...) der Grundfrequenz benötigt. Da die herkömmlich eingesetzten Schallwandler zur Erzeugung von SAWs auf ungerade Vielfache beschränkt sind, wurde speziell für diese Anwendung ein Design entwickelt und implementiert, welches die Anregung gerad- und ungeradzahliger Vielfache (n = 1,2,3,4) erlaubt